引言
在2004年，Novoselov等人通過簡(jiǎn)單的膠帶剝離法成功分離出石墨烯，這一突破性發(fā)現(xiàn)引發(fā)了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。石墨烯不僅在室溫下保持穩(wěn)定，還展現(xiàn)出卓越的電導(dǎo)性，挑戰(zhàn)了先前關(guān)于二維材料的理論。此項(xiàng)研究的直接影響深遠(yuǎn)，促使科研人員深入探索石墨烯及其他二維材料的獨(dú)特性質(zhì)。隨著研究的不斷深入，石墨烯成為新材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)的重要研究對(duì)象。如今，石墨烯及其衍生材料在電子、光電和能源領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。近期，麻省理工學(xué)院Pablo Jarillo-Herrero教授在《Nature》上發(fā)表了題為《The Discovery That Stuck — 20 Years of Graphene》的觀點(diǎn)論文，回顧了這一發(fā)現(xiàn)對(duì)科學(xué)界的深遠(yuǎn)影響，探討了過去二十年間石墨烯研究的重大進(jìn)展以及未來的研究方向。
主要內(nèi)容
物理定理指出，量子波動(dòng)阻止了晶體（或任何其他）秩序在二維空間中存在。因此，想象一下當(dāng)審稿人首次閱讀一篇報(bào)告直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)的論文時(shí)，他們面露困惑的表情：原子薄膜石墨不僅存在，而且在室溫下穩(wěn)定——并且導(dǎo)電性能極其良好。是什么阻止了這些碳原子層熔化或甚至飛散成碎片？事實(shí)證明，現(xiàn)實(shí)生活并不總是遵循數(shù)學(xué)定理的假設(shè)。顯然，審稿人同意了這一點(diǎn)，20年前，《科學(xué)》雜志發(fā)表了一篇由Novoselov等人撰寫的論文，展示了“石墨烯”層的存在。這篇論文在多個(gè)方面開創(chuàng)了先河。首先，作者用以分離單層碳原子（石墨烯）或少層（少層石墨烯，F(xiàn)LG）的方法極具巧妙、創(chuàng)造性且驚人簡(jiǎn)單。該方法涉及使用普通的膠帶從石墨晶體表面剝離原子層，然后將膠帶按壓到基底上（見圖1a）。令人驚訝的是，當(dāng)研究人員取下膠帶時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)基底上滿是薄的石墨片，包括石墨烯和FLG。直到今天，從事石墨烯研究的大多數(shù)團(tuán)隊(duì)（包括我自己的團(tuán)隊(duì)）仍然繼續(xù)使用本質(zhì)上相同的方法來分離該材料。圖1 | 二維奇跡材料。a. 2004年，Novoselov等人發(fā)現(xiàn)他們可以使用膠帶從石墨晶體上剝離碳原子層，以隔離稱為石墨烯的材料，基本上是二維的。他們還發(fā)現(xiàn)，石墨烯是一種優(yōu)秀的電導(dǎo)體。b. 自那時(shí)以來，這個(gè)團(tuán)隊(duì)和其他研究人員揭示了石墨烯的更多驚人特性。例如，當(dāng)兩層石墨烯堆疊在一起并旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們形成一種“扭轉(zhuǎn)雙層”，與單層不同，它可以是電絕緣體或超導(dǎo)體（電阻為零）。 Novoselov等人是幸運(yùn)的——事實(shí)證明，石墨烯和FLG片在簡(jiǎn)單的光學(xué)顯微鏡下可以很容易被肉眼看到。這使得作者能夠快速可視化他們機(jī)械剝離實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并通過測(cè)量光學(xué)對(duì)比度來表征薄片的厚度。光學(xué)顯微鏡仍然是成像石墨烯（以及后來發(fā)現(xiàn)的許多“二維材料”）的最常用方法。該技術(shù)經(jīng)歷了一些改進(jìn)，比如借助人工智能增強(qiáng)顯微鏡，可以高精度、自動(dòng)化地識(shí)別和計(jì)數(shù)材料的層數(shù)。FLG薄片在環(huán)境條件下（關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)納米加工程序所施加的條件）是穩(wěn)定的。這意味著它們不受在上面附加電接點(diǎn)過程的影響，這使得Novoselov等人能夠展示FLG薄片的良好導(dǎo)電性。第四，由于石墨是一種稱為半金屬的材料，F(xiàn)LG薄片中的電荷載流子密度與典型金屬相比較小。這使得作者能夠構(gòu)建在施加到附近金屬電極的電壓變化時(shí)，其電阻可以變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)的器件。當(dāng)Novoselov等人冷卻他們的FLG樣品并施加大磁場(chǎng)時(shí)，他們注意到電阻顯示出量子振蕩，這種特性在許多量子系統(tǒng)中很常見。這表明這些薄片具有實(shí)現(xiàn)新量子現(xiàn)象和器件的潛力（這在隨后的幾年中得到了證明）。盡管這一驚人突破，但可以公平地說，這篇論文的影響直到次年才得到充分認(rèn)識(shí)。當(dāng)年發(fā)布了兩篇論文——其中一篇來自Novoselov和同事。兩篇論文都表明單層石墨烯中的電子表現(xiàn)得像是零質(zhì)量粒子，以與其能量無關(guān)的恒定速度運(yùn)動(dòng)；在某種程度上，它們更像是在高能物理加速器中飛行的粒子，而非在晶體固體中的電子。同年，Novoselov和同事還展示了膠帶剝離法可用于隔離其他幾種超薄晶體薄膜。二維材料研究正式開始，Konstantin Novoselov和Andre Geim因此獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)诙S材料石墨烯方面的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)。 很難夸大2004年論文對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)和材料工程的影響。一個(gè)簡(jiǎn)單的指標(biāo)是，它在Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得了超過50,000次的引用，使其成為歷史上引用最多的物理論文之一，反映出全球數(shù)千個(gè)研究組開始從事二維材料研究。這些研究人員不僅包括物理學(xué)家，還有化學(xué)家、材料科學(xué)家、電氣工程師，甚至是醫(yī)學(xué)工作者。是什么導(dǎo)致了這種非凡的興趣？部分原因是石墨烯的特性包括許多超越常規(guī)的特性：它是最堅(jiān)固、最薄的材料，也是熱和電的最佳導(dǎo)體。此外，石墨烯并不是唯一的二維材料，這意味著許多不同的研究線索都可以追溯到Novoselov及其同事的初步結(jié)果。二維材料家族現(xiàn)在包括絕緣體、半導(dǎo)體、晶體磁體、晶體鐵電體（鐵電體是指顯示自發(fā)電極化的材料）、超導(dǎo)體（電阻為零的材料）——這個(gè)列表還在繼續(xù)。在許多情況下，這些二維晶體的行為與其三維對(duì)應(yīng)物有顯著不同，而且它們往往更容易被“調(diào)諧”（例如，通過改變層數(shù)或電荷載流子密度）。因此，研究人員預(yù)測(cè)了許多潛在的科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用，其中一些正在開始實(shí)現(xiàn)：超靈敏的化學(xué)和生物傳感器以及紅外相機(jī)是最先進(jìn)入的應(yīng)用之一。二維材料的另一個(gè)關(guān)鍵方面是它們可以疊加在一起，形成“異質(zhì)結(jié)構(gòu)”，這在某些方面類似于用孩子的樂高積木建造的結(jié)構(gòu)。但樂高積木必須相互對(duì)齊或垂直疊放，而二維材料則沒有這種限制：它們可以以晶格間的任意扭轉(zhuǎn)角度疊加。而這些扭轉(zhuǎn)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)可能與其組成層的性質(zhì)大相徑庭（見圖1b）。例如，大約1度的扭轉(zhuǎn)角度可以將堆疊的石墨烯片（既不是絕緣體也不是超導(dǎo)體）轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N顯示絕緣和超導(dǎo)行為的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這歸因于其電子之間的相互作用。這個(gè)領(lǐng)域通常被稱為“扭轉(zhuǎn)電子學(xué)”（twistronics）或“莫爾量子物質(zhì)”（moiré quantum matter），因?yàn)閮蓚€(gè)晶格的疊加形成了一個(gè)稱為莫爾晶格的干涉圖案，已成為二維材料研究中最活躍的領(lǐng)域之一。值得注意的是，在過去六年中，扭轉(zhuǎn)電子學(xué)研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎所有已知的量子物質(zhì)相，通常具有非常規(guī)特征。他們甚至發(fā)現(xiàn)了完全新的量子相和效應(yīng)，包括去年在扭轉(zhuǎn)莫爾異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)。 二十年前開始的旅程仍未結(jié)束，二維材料的研究持續(xù)增長(zhǎng)。研究這些材料的人員以驚人的速度取得了關(guān)于基本物理的重要發(fā)現(xiàn)，這令人充滿信心。例如，手性或“偏手性”是一種不僅影響許多物理系統(tǒng)行為的特性，還在化學(xué)和生物學(xué)中發(fā)揮重要作用，這種特性可以在扭轉(zhuǎn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中得到探索和精確調(diào)節(jié)。在技術(shù)方面，盡管仍需謹(jǐn)慎樂觀，但也有理由感到樂觀。生長(zhǎng)大規(guī)模、高質(zhì)量石墨烯和其他二維材料的技術(shù)正在迅速改善，工程師們?cè)絹碓皆敢鈱⑦@些材料納入器件制造平臺(tái)中。然而，特別是對(duì)于石墨烯以外的材料，二維樣本的質(zhì)量必須進(jìn)一步提高，制造具有任意扭轉(zhuǎn)角度的微型異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。這些努力將需要大量資源以及物理學(xué)家、化學(xué)家和工程師的全部聰明才智。但這種努力的回報(bào)可能是巨大的，可能為未來幾十年鋪平整個(gè)納米技術(shù)的發(fā)展道路。
結(jié)論展望
綜上所述，在2004年發(fā)表的關(guān)于石墨烯的開創(chuàng)性研究，不僅顛覆了二維材料的理論預(yù)期，還激發(fā)了廣泛的科學(xué)探索與技術(shù)應(yīng)用。通過簡(jiǎn)單的機(jī)械剝離方法，研究者們成功獲得了單層石墨烯，并揭示了其優(yōu)異的電導(dǎo)性和獨(dú)特的量子特性。這一發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)了二維材料研究的新浪潮，推動(dòng)了各種新材料的探索，如超導(dǎo)體、絕緣體和鐵電材料等，形成了一個(gè)日益豐富的二維材料家族。尤其是“扭曲雙層石墨烯”研究的興起，展示了二維材料在調(diào)控電子行為方面的潛力。盡管挑戰(zhàn)依然存在，尤其是在提升材料質(zhì)量和制備工藝方面，但隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，二維材料有望為未來的納米技術(shù)和電子器件的發(fā)展鋪平道路，成為新一代技術(shù)的基礎(chǔ)。
1.Nature 634, 789-790 (2024) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-03311-7
2.Novoselov, K. S. et al. Science 306, 666–669 (2004).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1102896
